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科学网—千年量子恩怨(全局诠释之十六)

原子与连续

两个甲子以前的庚子年,也就是1900年,普朗克提出了量子论,解决了黑体辐射谱的计算问题。1913年,玻尔和卢瑟福假定原子角动量是量子化的,解释了氢原子能谱问题。从此量子理论蓬勃发展,成了主导科学界的基本理论。以至于一些传统理论,比如引力,到现在还没有成功量子化,让物理学家们苦恼不已。

量子论的哲学源头是古希腊的原子论(atomism),希腊语中,“原子”(ἄτομον)原意就是不可分割的意思。由留基伯和德谟克里特提出。另一大古代哲学源头,古印度,也有类似的理论。原子论认为,自然分为不可分割的原子和虚空。

但中国古代哲学并不认为有不可分割的最小单位。与留基伯差不多同时的庄子说“一尺之捶,日取其半,万世不竭”,即永远可以继续分割下去,这是一种连续物质观点。

在今天看来,原子论固然成立,因为我们的确只能分解到原子或基本粒子尺度。但连续论也不能认为是错的,因为原子还可以分解下去,并且可以无限分解。只是到了后面,分解动作本身的能量会产生新的物质。分解可以继续,但是不能得到更小的结果。

还原与整体,量子论

后来科学的发展,西方更多采用还原论(Reductionism),认为复杂的系统、事物、现象可以化解为各部分之和来描述;而东方更多采用整体论(Holism),认为对于复杂事物,分割还原将丧失重要信息,而无法正确认识客体。后来,现代科学出现了系统科学中的涌现理论,可以弥补还原论的缺陷。既然尺度增大,参与者增多,会涌现出新的物理现象,那么还原的过程中,反涌现也是成立的,即丢失原来尺度才存在的物理现象。

虽然量子的思想源于还原论,薛定谔方程却是整体论的,因为它需要全空间的信息。但是人们依然趋向与从还原论的角度去讨论,去理解。

全局诠释实际上是从整体论的角度理解量子理论,并没有引进任何假设。薛定谔方程的整体性,近似性,也是物理学家们认可的。全局诠释也从整体论的角度讨论了标准模型,并重新解读了基本粒子和相互作用的定义,认为应该采用整体论的基本粒子图像,而现在教科书中列举的基本粒子表,只能当成还原论的定义,可以理解成粒子的某一基本状态。类比时空中的一个点。我们用点来描述粒子的位置,但是我们知道粒子不可能占据一个无限小的点。同样,当我们说一个光子的能量为某个值的时候,它也不可能就是那个单一能量值。全局诠释也将同样的类比拓展到自旋,质量等属性,这些在以前被认为是确定的单一值。

但是,我们并没有放弃原子论,量子论。反而将量子的概念泛化了,在宏观世界中也找到了大量量子化表现。

我们认为,普朗克提出的能量子不存在,玻尔的原子角动量量子化是结果,而不是原因。激光更多地是大量原子参与的结果,而不只是单原子的性质。

百年恩怨

爱因斯坦与玻尔的争论是量子论拥护者津津乐道的话题。虽然一般认为爱因斯坦在争论中输了,但是他至死不认为量子理论是完备的,甚至也不接受由他自己主要证明的,并获得了诺贝尔奖的光量子概念。

玻尔的虚无主义,或者说唯心主义观点,被归纳为:“月亮在我不看的时候就不存在”,一直是很多人的批评的对象。

薛定谔和爱因斯坦,对波函数的概率解释和测量坍缩观点深恶痛绝。爱因斯坦的名言“上帝不掷骰子”,就是这一立场的表达。而玻尔“你爱因斯坦不能告诉上帝该做什么不该做什么”的回答虽然巧妙而且有力,但这句话对他自己也是成立的。因为我们毕竟也没有理由相信,世界就是随机的。爱因斯坦不应该要上帝不掷骰子,玻尔也不能要上帝掷骰子。

薛定谔猫,本来是薛定谔提出嘲笑测量坍缩概念的,后来却被很多人用来作为描述并证明测量坍缩合法性的思想实验。

爱因斯坦对量子力学不完备性,包括EPR佯谬理解的解决方案是隐变量理论,但是却被后来本来支持他的约翰贝尔提出的贝尔实验证伪了。贝尔实验还让人们相信,量子是非局域的,更是挑战了他的狭义相对论带来的局域性原理。也就是说,他的坚持挑战,不但输掉了EPR和量子理论完备性论战,还威胁到了他的另一大重要贡献——狭义相对论。

爱因斯坦对EPR纠缠光子的“Spooky action”(鬼魅般的相互作用)也迷惑不解,所以才用到“鬼魅般的”一词。

约翰贝尔,基于朴素的唯物观,或者实在观,本来是站在爱因斯坦一边的,认为他提出的实验应该能够证明,隐变量理论是正确的,不应该有任何别的可能。而实验结果让他百思不得其解,世界观崩塌。

贝尔的困惑并不是他个人的问题,大部分物理学家都有同样的疑问。这就是费曼那句“我可以肯定,世界上没有一个人懂量子力学”的原因。

可惜这些困惑的灵魂都已经作古,如果他们知道了全局诠释的解释,相信他们一定会高兴自己没错,除了费曼,他说的那句话应该注意时态。

在“掷骰子”之争中,概念上我们站在爱因斯坦一边。但是我们却认为,“掷骰子”的结果实际上是确定的,至少上帝应该知道。所以,即使上帝掷骰子,也不代表他选择了随机。玻尔的话本身没有错,但他认为世界是随机的,却没有充分的理由。

而对于“Spooky action”的说法,我们可以对爱因斯坦说:“It is not spooky at all, and there is no action”(其实一点都不奇怪,而且也没有相互作用)。

唯物与唯心

唯物论(materialism) 认为世界的本源是物质,意识是对物质世界的反映。唯心论(idealism)认为意识更重要,物质其次。自有哲学思考以来,唯物与唯心就是两大对立的思想体系,各自又有不同的流派。

对于物理学来说,牛顿时代的物理学家们更相信唯物论,而量子时代的物理学家们,在这件事情上很困惑,或者说很对立。玻尔代表唯心派,认为测量和意识在物理中有决定性的影响,他的论点被大多数物理学家接受。爱因斯坦代表唯物派,相信客观实在。

在“实在论”一章中,我们说过,全局诠释同时接受唯物论与唯心论的观点。唯物的部分是,测量和人类意识也是物质,及与物质世界的交互。唯心的部分是,对世界的认识只能体现在意识中,没有意识就没有讨论世界的主体。

我们从标准模型引申出来的标准世界观中,基本粒子,或者说物质,是能量对时空的扰动模式。所以只有能量和时空,而没有经典意义的物质。这是唯物论需要面对的一个新问题。如果我们把能量和时空都定义为物质,那么意识也是一些模式,必然也是物质,那么唯物论的物质与意识划分就不存在了。当然对唯心论也一样,需要定义意识以什么形式存在。

实在的相对性,也可以算是对唯物论和唯心论的修正。

个人经历

应该是1986年下半年,我在上普通物理课的时候,老师介绍了一点量子力学。我第一眼看到薛定谔方程的时候,非常震惊,盯着方程看了很久,试图理解其中的含义。后来到图书馆找量子力学教材,看了之后却更糊涂了。于是我觉得应该把这个问题搞清楚。当时我想,可能要读研究生专门研究才行,于是开始自学物理专业的课程。我自己当时的专业叫金属材料与热处理,属于工业机械类。我把自学物理当成业余爱好,也没有想过转专业什么的,当时也不兴转,而且也已经二年级了。我必须完成所有规定的专业学习,所以用来自学的时间有限。课余时间几乎全部泡在图书馆。除了物理课程,其它学科的书籍也看。

到了准备考研究生的时候,在图书馆找各校的招生简章,发现只有北京大学招量子力学方向的研究生。于是就报考了。导师曾谨言老师,他的教材是我自学的时候觉得看得比较懂的,也是我的主要参考教材。我觉得可能第一次应该考不上,不过一两次总应该能考上某个学校。没想到很幸运,在复习错了一门专业课的情况下,量子力学和电动力学还考得不错,经过面试后被北大录取了。那一年是1989年,发生了很多事情,经过了很多曲折,接到录取通知书的时候已经是10月份了。

研究生学习期间,发现并不能专心研究那些让我困惑的问题。曾老师也说了,量子力学基础研究很难出成果,要有成果保证毕业。于是很长一段时间做的是原子核结构理论研究。读博士期间,量子信息的概念开始热起来,我博士论文是关于量子力学中的位相问题的,但工作重点还是原子核结构理论。在科学院理论物理所做博士后的时候,做的也是核理论。曾老师在清华带的一些学生已经转向量子信息,我参加了一些讨论,自己也读了一些文献,但是很快就疑惑了,感觉到有些不对。一个显然的问题是,量子的不确定性不是本质的吗?为什么在量子信息中没有体现呢?

后来回到北大工作,兼管计算机房,教学,出国,进入超算和聚变领域,慢慢脱离量子力学研究。但是一直没有停下思考量子力学那些让人困惑的基本问题,也比较关注相关研究和进展。我对许多研究声称的进展持怀疑态度,并开始认真考虑那些基本问题。大约十年前,形成了自己的一些看法;五六年前,觉得可以开始说了;三年前,写了第一篇关于量子纠缠的论文。由于量子非局域性的概念已经被量子信息界广泛接受,文章难以发表。要说清楚量子纠缠,也的确还需要解释基本粒子的定义,以及大量的相关问题,如实在性,相干性,等。

这里的全局诠释系列文章中,这一篇将是近期的最后一篇。还有很多问题,比如光电效应,最小作用原理,真空与零点能,海森堡不确定原理,时间,描述基本相互作用的理论,量子化公式体系,等,有的我已经有了想法,有的还需要进一步探讨。以后慢慢讨论。

我知道,很多人一时难以接受全局诠释,或者标准世界观。本系列文章应该已经基本说清楚了。我的事情已经基本做完。

《道德经》中说“上士闻道,勤而行之。中士闻道,若存若亡。下士闻道,大笑之。不笑不足以为道。”所以我并不需要说服任何人,也不需要在乎任何评价。只是“明道若昧,进道若退。”正心求道,纯粹追求科学的人,自能体会其中的奥妙。毕竟,“夫唯道,善贷且成”。

小结

量子论源于原子论,中西古代对物质世界本源的认识不同,但都可以自圆其说。基本粒子的概念是还原论的,薛定谔方程是整体论的,还原论和整体论相辅相成。唯心论与唯物论,在全局诠释的理解中,是一致的。实在是相对的。几千年的离散连续之争,还原整体之争,唯心唯物之争,在全局诠释中,归于一体。

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